DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.042

添加微量铍对工业7475铝合金时效硬化及析出相与基体位向关系的影响

李尧 夏露

  江汉大学机电工程学院  

  湖北工学院机械工程系 武汉430019  

  武汉430068  

摘 要：

采用不同的淬火时效工艺研究了不同的Be含量对 7475铝合金的硬度以及析出相与基体位向关系的影响。实验结果表明 :加入 0 .0 2 3 %Be能有效提高 7475铝合金的硬度 , 硬度值最高可达HB140 , 无铍的合金其硬度值最高不到HB12 0 , 含 0 .7%Be合金的硬度值处于上述两者之间。同时添加铍会加快 7475铝合金的时效硬化进程。电子衍射分析表明 :含Be的合金中 , η′相与基体的位向关系为 (1—1—2 0 ) η′∥ (42 2 —) Al, β相与基体的位向关系为 (2 0 0 ) β∥ (2 4—2 ) Al;而不含Be的铝合金中 β相与基体的位向关系为 (111—) β∥ (6 2 —0 ) Al。

关键词：

铍;7475铝合金;时效;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2001-11-16

基金：湖北省自然科学基金资助项目 ( 98J5 0 3);

Effect of Be on ageing hardening behavior and oriented relation between precipitated phases and matrix of 7475 aluminum alloy

Abstract：

The effect of beryllium on the hardness of 7475 aluminum alloy and the orientation relation between precipitation phases and Al matrix was studied with the different aging treatment method. The results show that Be increases the alloy hardness and raises its aging hardening rate. The hardness of the alloy is HB140 with 0.023%Be, HB120 without Be and between their values with 0.7%Be. At the same time, the oriented relation of the alloy containing Be is different from that one without Be by with TEM, that is, (1-1-20) η′ ∥ (422-) Al and (200) β ∥ (24-2) Al with Be, (111-) β ∥ (62-0) Al without Be.

Keyword：

beryllium; 7475 aluminum alloy; aging;

Received： 2001-11-16

7475铝合金主要用于航空、 航天飞行器的结构件。 有些学者利用热处理 (包括时效硬化) 细化7475铝合金晶粒以达到提高其强度的目的 ^[1,2,3,4] , 也有学者通过向7475铝合金中加入Mn, Cr, Zr, Li等元素或调整Zn和Mg含量研究微量合金元素对7475铝合金组织及性能的影响 ^[5,6,7,8,9] , 但是关于Be对7475铝合金的时效行为及其性能的影响还未见报道。 在高强铝合金的实际生产中时效硬化被广泛利用来提高铝合金的强度 ^[10,11] 。 作者在工业生产使用的7475铝合金中加入一定量的Be元素, 通过采用不同时效工艺来研究Be对7475铝合金时效行为和析出相与基体位向关系的影响。

1实验

实验材料为西南铝加工厂提供的6.0 mm厚不同金属铍含量的3种7475铝合金热轧板坯, 其成分如表1所示。

将热轧板坯在623 K进行1 h退火处理, 水冷后冷轧至1.5 mm, 冷轧后迅速进行人工时效。

硬度测量在HD1-1875型布洛维氏硬度计上进行, 选用2.5 mm钢球, 312 N载荷。 金相组织观察用日本产OLYMPUS-PMG3金相显微镜; 用于透射电镜观察的试样先进行电解双喷减薄, 然后在日本产JEM-100CXH电子显微镜下进行观察。 衍射花样标定用自编软件程序完成。

表1 实验材料的成分

Table 1 Compositions of experimental materials (mass fraction, %)

Alloy	Zn		Mg		Cu		Be	Si
A	5.45		2.47		1.52			0.04
B	5.45		2.47		1.52		0.023	0.04
C	5.45		2.14		1.51		0.7	0.05
Alloy		Fe		Mn		Ti		Al
A		0.05		<0.06		<0.06		Bal.
B		0.05		<0.06		<0.06		Bal.
C		0.07		<0.06		<0.06		Bal.

2结果与讨论

图1所示是3种实验材料分别在753 K和783 K固溶处理1 h, 并在393 K时效的硬化曲线。 由图可见, 加入了微量Be (0.023%) 有助于7475铝合金材料硬度的提高, 其峰值可达到HB140; 但当Be的加入量为0.7%时, 对合金表面硬度影响较小, 这主要因为过量的铍与基体形成金属化合物所致; 没有加Be的7475铝合金材料的硬度值最低, 最高值仅为HB120。 同时可见, 加入微量Be后, 只需12 h合金的硬度就可接近峰值, 随时效时间延长, 直到24 h, 合金的硬度值几乎不变。 这说明微量Be加入7475合金中可以有效地加快其时效硬化进程, 另外, 加入Be有助于合金中η′相的稳定, 使合金保持高的硬度值。

图1 7475铝合金的时效硬化曲线

Fig.1 Ageing hardening curves of 7475 aluminum alloy

(a) —480 ℃, 1 h+120 ℃; (b) —510 ℃, 1 h+120 ℃

众所周知, 超硬铝合金主要靠弥散细小析出相进行强化, 因此淬火+人工时效制度是通过对析出相密度及组成的控制来调整铝合金的强度 ^[12] 。 一般来说, 在一定的范围内, 基体中析出相体积分数越大, 尺寸越小, 析出相的数目越多, 合金的强度越高。 7475铝合金在淬火和人工时效状态下起主要强化作用的是η′ (MgZn₂) 相和T (Al₂Mg₃Zn₃) 相。 由实验结果及电镜分析表明: 添加微量的Be能增加析出相数目, 减小析出相尺寸, 使时效硬化进程加快。 这可能由于铍是密排六方结构, 它在铝中的溶解度很小, 即使在918 K时的固溶度也只有0.06% ^[4] , 从而加速7475铝合金中η′相的析出, 使时效硬化进程加快。 图2所示为无铍7475铝合金在753 K淬火并在393 K时效2 h的TEM照片; 图3所示是含Be量为0.023%的7475铝合金在753 K淬火并在393 K时效2 h的TEM照片。 由图2与图3分析比较并标定可知, 加Be后进行人工时效, 不到2 h就有η′相析出, η′相与基体呈半共格关系, 而没有加入Be的合金时效2 h后很难见到η′相。 通过衍射花样标定 (见图3 (a) ) 可知, η′相是沿基体 $(42\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}){}_{\text{A}\text{l}}$ 析出, 其位向关系为 $(\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}20){}_{{\eta }^{\prime }}//(42\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}){}_{\text{A}\text{l}}$ , 同时还有β相析出, 它则是沿Al基体 $(2\stackrel{—}{{\displaystyle 4}}2){}_{\text{A}\text{l}}$ 析出, 且其位向关系为 $(200){}_{\beta }//(2\stackrel{—}{{\displaystyle 4}}2){}_{\text{A}\text{l}}$ 。 Be加入量过大时, Be与Al形成化合物, η相析出减弱; 对于没有加Be的7475铝合金而言, 也存在着β相, 但它的析出是沿基体 $(6\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}0){}_{\text{A}\text{l}}$ 析出, 其位向关系发生变化, 即 $(11\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}){}_{\beta }//(6\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}0){}_{\text{A}\text{l}}$ 。

图2 无铍7475合金中β相的衍射花样 (a) 和其明场像 (b)

Fig.2 Diffraction pattern of β-phase (a) and its bright field image (b) in 7475 aluminum alloy without Be

(480 ℃, 1 h+120 ℃, 2 h)

图3 含0.023%Be7475合金中析出相的衍射花样 (a) 和其明场像 (b)

Fig.3 Diffraction pattern of precipitated phase (a) and bright field image of β phase (b) in 7475 aluminum alloy with 0.023Be%

(480 ℃, 1 h+120 ℃, 2 h)

3结论

1) 添加微量铍有助于7475铝合金表面硬度值的提高。

2) 加入Be可加快7475铝合金时效硬化进程。

3) 加入微量Be, 使7475合金中的η′相和β相的位向关系发生变化, 即η′相与基体的位向关系为 $(\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}20){}_{{\eta }^{\prime }}//(42\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}){}_{\text{A}\text{l}}$ ; β相与基体的位向关系为 $(200){}_{\beta }//(2\stackrel{—}{{\displaystyle 4}}2){}_{\text{A}\text{l}}$ ; 对于没有加Be的7475合金, β相与基体的位向关系为 $(11\stackrel{—}{{\displaystyle 1}}){}_{\beta }//(6\stackrel{—}{{\displaystyle 2}}0){}_{\text{A}\text{l}}$ 。

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